混凝土泵送技术在下向充填采矿法中的应用

杨清平，陈志强，王红心

(1.中色非洲矿业有限公司， 赞比亚 基特韦县 22592； 2.北京金诚信矿山技术研究院有限公司， 北京 101500)

0 引言

谦比希铜矿主矿体的开采自2003年复产以来，经过十几年的生产，已开采至深部878 m水平中段。随着矿体开采深度增加，地压显现频度和强烈程度增大，加上地下水量大（55 000 m3/d），矿岩稳固性变得更差，主矿体开采难度越来越大，原用采矿方法的回采指标差，效率低，开采成本极高，最终不得不限制开采或部分采区停止开采。通过采矿方法对比研究，矿山决定采用下向进路分层充填采矿法在主矿体878 m水平中段区域进行开采试验。

下向分层充填采矿法常用于回采节理裂隙发育、矿岩软弱破碎或者矿石品位高、开采价值大的急倾斜矿体[1-2]。下向分层充填采矿法的关键之处在于构筑用于下分层回采的人工假顶结构，其通常采用足够配筋率的钢材和高强度胶结充填材料来一起构筑[3-4]。对于钢筋砼人工假顶的施工，井下通常采用传统的机械运搬方式，即采用人工小推车或铲运机等将拌好的混凝土运至浇筑地点，这种方法具有效率低、工人劳动强度大、浇筑不连续等 缺点。

为提高生产效率，实现降本增效，同时保证人工假顶质量可靠，实现下向安全回采，本文结合谦比希铜矿的主矿体试验区域工况条件，研究适用于其下向进路分层回采的高效混凝土泵送技术。

1 开采技术条件

1.1 矿体形态特征

878 m水平西矿体位于2060～2700线之间，剩余矿体水平标高为770～878 m。矿体平均倾角为70°，按1.5%品位圈矿，厚度为6.01 m，Cu地质品位为2.81%。矿体下盘有约2 m厚的富矿，Cu品位为3%～6%。矿体顶板与围岩之间呈渐变过渡，界线不清，肉眼难以辨别，常以取样化验来区分。矿体开采区域见图1。

图1 开采区域三维示意

1.2 工程地质条件

矿体赋存于泥质板岩中，其直接顶板是矿化泥质板岩，上盘围岩还包括石英岩、板岩、燧石白云岩等，矿体直接底板为砾岩，还包括泥质石英岩、卵石砾岩、长石石英岩等。矿体下盘的基底花岗岩及片岩、石英岩等总体上稳定性较好。矿体及上下盘围岩中层理和劈理发育，稳定性不好。尤其是矿体下盘受剪切的泥质石英岩带和下盘砾岩接触带，稳定性差。

1.3 水文地质条件

矿区地形平缓、植被茂盛，表土层渗透性强， 地下水极为丰富，含水层主要有矿体含水层和燧石白云岩含水层。矿体及其上盘白云质泥板岩和石英岩互层统称矿体含水层，该层总厚约45 m，岩性变化较大，含水性与裂隙发育程度有很大关系。燧石白云岩含水层距矿体顶板约37～60 m，厚约15 m，该层溶蚀空洞非常发育，是矿区最主要含水层，目前矿坑涌水75%来自该层（见图2）。

图2 试验区域地下水分布

2 钢筋砼假顶下向进路膏体充填法

2.1 盘区布置和采场划分

将试验区域（2060～2700线）沿矿体走向划分为东、西两个盘区，每个盘区长约320 m。其中预备层一个盘区划分为8个采场，每个采场长度为40 m，进路尺寸为4.5 m×3.5 m（宽×高）。正常分层 一个盘区划分为5个采场，每个采场长度为64 m（单侧进路采场长度约为32 m），进路尺寸为4.0 m×4.0 m（宽×高）。

770～878 m水平高108 m，上部留14.5 m厚水平矿柱，水平矿柱下即为双进路预备层，其内填充0.4 m厚的人工钢筋砼和3.1 m厚的膏体，砼强度等级通过结构力学验算得到，膏体需满足自立稳定性要求[5]。预备层下正常分层高为4 m，800 m水平分段暂按3个分层为一个分段，即分段高为12 m；800 m水平分段以下各分段暂按分段高度16 m考虑，一个分段划分为4个分层。钢筋砼假顶下向单进路膏体充填法采矿方法如图3所示。

图 3 钢筋砼假顶下向膏体充填采矿法

2.2 采准工程布置

在矿体下盘布置采准工程，采准工程主要有采区斜坡道、脉外分段巷、分层联络道、穿脉出矿巷道、溜井、溜井联络道、充填回风井及联巷。两个盘区布置一条采区斜坡道；每两个采场共用一个溜井（已有工程不再施工）；分段巷布置在矿体下盘且避开中砾岩层；每个采场的每个分层布置一条分层联络道；每个采场布置一条充填回风井，在脉外 分段巷适当位置设置联络巷与之相连。

2.3 支护

（1）采准工程支护。采准工程一般布置在稳定性较好的岩石中，设计采用管缝式锚杆支护，每排7根，排距为1.5 m，不稳固地段和联络道开口处增加锚网、长锚索及喷射混凝土支护。

（2）采场支护。由于矿岩节理裂隙发育，矿体涌水量大，造成围岩极其不稳定，所以生产中实行“短掘短支”的方式开采[6]，支护方式主要为锚网喷、锚索及钢拱架支护，支护断面如图4所示。

图4 采场支护断面

3 混凝土泵送

3.1 设备选型

根据回采区域整体输送范围，结合采场结构参数设计，考虑泵送量及生产效率，选择JBC40/450混凝土搅拌泵送一体机进行混凝土制备和输送，设备最大理论输送能力为40 m3/h；输送压力：低压10 MPa，高压16 MPa；理论输送距离：水平600～800 m，垂直60～80 m；最大允许骨料粒径为40 mm；输送管径为125 mm；塌落度范围为100～230 mm。

3.2 硐室布置

采用钢筋砼假顶下向进路分层充填采矿法进行开采时，每分层需构筑钢筋砼假底，需要制备混凝土浆体并输送。考虑到运距和效率，同时为尽快投入生产，规划混凝土搅拌硐室布置在预备层分段2310充填回风井和71#溜井间。搅拌泵送一体机硐室规格根据搅拌泵送一体机尺寸大小确定，混凝土原材料（水泥、石子、砂子）硐室规格按一次性最大浇筑64 m长（0.4 m厚）进路采场的混凝土方量确定，硐室断面为4 m×3.55 m，长为10 m，具体布置如图5所示。

图5 混凝土搅拌硐室位置布置平面图

3.3 混凝土配合比[7]

泵送混凝土即沿管道输送混凝土，需要混凝土具有良好的泵送性。此外，混凝土作为下分层回采的顶板，需要其具有满足其承载要求的强度[8-9]。根据采场结构参数，通过结构力学验算以及塌落度试验，选择混凝土强度等级为C20，浇筑厚度为0.4 m，每立方混凝土配合比参数见表1。

表1 每立方C20混凝土配合比

3.4 混凝土制浆工艺及输送

混凝土原材料（如水泥、中砂、石子）提前用卡车从地表运至指定的分段硐室储存。充填时，砂子、石子可通过小铲车或人工向搅拌泵送一体机受料斗中按比例供料，水泥可通过人工或者小铲车定量添加到受料斗中，然后受料斗在升降机的作用下，将物料送至混凝土搅拌泵送一体机搅拌槽内，再按比例加水经搅拌后形成混凝土料浆，水不能为井下酸性水，混凝土制浆工艺流程如图 6 所示。

图6 混凝土料浆制备工艺流程

混凝土输送管选用DN125 mm钢管，以满足输送压力要求。输送管道在达到浇筑区域之前采用钢管，到达浇筑区域之后换成软管。

4 结论

（1）针对谦比希铜矿主矿体878 m水平西开采技术条件，介绍了用于其回采的钢筋砼假顶下向膏体充填采矿法开采方案，包括盘区与采场划分、采准工程布置及相关支护方式。

（2）考虑输送范围、采场浇筑量、生产效率等因素，进行了设备选型，选择JBC40/450混凝土搅拌泵送一体机进行混凝土制备和输送，同时根据结构力学验算及塌落度试验，选择强度等级为C20的混凝土，浇筑厚度为0.4 m，其每立方配合比为：32.5 MPa水泥0.4 t，中砂0.411 m3，直径小于16 mm的石子0.87 m3，水0.22 m3。

（3）混凝土输送管道达到浇筑区域之前选择管径为125 mm的钢管，到达浇筑区域之后换成软管输送。